PKPM-CAE建筑仿真模块正式发布，三大核心应用场景助力复杂结构设计

PKPM-CAE建筑仿真模块正式发布，三大核心应用场景助力复杂结构设计

1. PKPM-CAE研发背景

PKPM-CAE基于云原生技术开发，支持桌面端和web应用，对标国外主流商业仿真软件（ABAQUS和ANSYS），拥有自主知识产权的网格划分内核和通用有限元计算内核，致力于满足国内土木领域乃至全工业领域的通用仿真分析需求。

PKPM-CAE涵盖各种常用仿真分析功能（如模态、静力、稳定性、隐式/显式动力学、谐响应、谱分析、极限承载力分析等），拥有20余种工程仿真单元类型（如梁、杆、索、板、壳、膜、三维实体、连接单元、表面单元等），包含10余种工程仿真材料本构模型（如金属、混凝土、岩土等），支持工程仿真中各种非线性类型（如几何、材料、状态（接触和生死单元）等），支持各种常用广义连接模式（如耦合、绑定、嵌入、以及自定义约束方程和主从自由度等）。

PKPM-CAE还实现了多种建模软件和分析软件的集成，提供丰富的外部软件接口，可导入PKPM/YJK的结构设计模型，ABAQUS/ANSYS的有限元计算模型，同时正在扩展STL、IGS、OBJ、IFC等通用几何模型接口。

PKPM-CAE目前已发布PKPM-CAE通用仿真和PKPM-CAE建筑仿真两大模块。PKPM-CAE通用仿真模块面向大土木领域乃至全工业领域，PKPM-CAE建筑仿真模块则致力于满足建筑结构设计中的各类仿真需求。

PKPM-CAE建筑仿真模块已于近期正式发布，面向建筑结构设计领域，提供三大典型应用场景。

2. PKPM-CAE建筑仿真三大典型应用场景

PKPM-CAE在建筑工程仿真模拟领域的典型应用场景主要包括三类：①复杂节点静力/极限强度分析，可以解决结构设计中的复杂节点分析问题。②高层结构大震弹塑性分析，基于通用有限元内核，数据开放，弹塑性分析功能专业，能够满足复杂工程弹塑性分析需求。③大跨结构屈曲/后屈曲稳定性分析，可用于网架网壳等结构的非线性稳定分析。

2.1 节点分析

某综合楼的复杂节点分析复核，与ABAQUS结果进行对比验证，节点的边界条件（即节点荷载）从PKPM设计软件中导出。

由计算结果对比可知：对于正常使用加载情况（即最不利工况组合），PKPM-CAE和ABAQUS的计算结果几乎完全一致，位移和应力误差均小于1%；对于极限加载情况，PKPM-CAE和ABAQUS的极限承载能力计算结果基本一致，误差约为5%。

2.2 大震弹塑性分析

某高层结构，共68层，总高328米，约150万自由度。

从PKPM设计软件导入设计模型，然后自动选波（地震波时长30s），采用显式动力学分析，开启CUDA并行计算（NVIDIA A100显卡），总计算时间约5小时。

PKPM-CAE能够自动化完成计算分析、结果整理、报告书生成，基本实现了大震弹塑性分析全过程一键式傻瓜化完成。

2.3 双非线性稳定性分析

某空间网壳结构，对其做线性屈曲分析（临界失稳）和双非线性稳定分析（几何非线性+弹塑性），并跟ABAQUS结果进行对比，加载模式包括半跨加载和满跨加载。

由计算结果对比可知：对于临界失稳问题，PKPM-CAE和ABAQUS的结果几乎完全一致，临界失稳荷载系数误差小于1%；对于双非线性稳定问题，PKPM-CAE和ABAQUS的极限承载能力计算结果几乎完全一致，其真实承载能力约为临界失稳荷载的1/3。

3. 与国外软件的对比

PKPM-CAE是对标国外主流仿真软件ABAQUS/ANSYS开发的，其操作流程和主要功能均跟ABAQUS/ANSYS类似，比如都包括前处理、计算分析、后处理几个主要操作步骤，包含完整的通用仿真分析功能、丰富的有限元单元库和材料库、几何/材料/接触等各种非线性类型以及各种广义连接模式，支持单元生死和并行计算等。从常规使用的角度来说，PKPM-CAE跟国外软件是一样的，其目的就是实现通用仿真领域的国产化替代。

跟国外软件相比，PKPM-CAE的主要优点可归结如下：① PKPM-CAE拥有完全自主知识产权的网格划分内核和有限元计算内核，是一款真正意义上的国产仿真软件；② PKPM-CAE的主要计算功能、精度、效率均跟国外商用软件（ABAQUS/ANSYS）基本相当（见本文3.1和3.2），若考虑显卡并行计算，那么显式动力学的计算效率能够远超ABAQUS；③ 对于建筑结构的大震弹塑性分析，PKPM-CAE能够自动化完成计算分析、结果整理、报告书生成，基本实现了大震弹塑性分析全过程一键式傻瓜化完成；④ 拥有丰富的外部接口，能够直接导入PKPM/YJK的结构设计模型（含配筋），并且还将根据国内用户需求持续扩展。

跟国外软件相比，PKPM-CAE的缺点主要体现在软件的成熟度还不够，这又集中体现在前处理部分：① 建模功能不够完善，目前仅提供python脚本建模及简单交互建模（该问题可以通过软件接口来弥补）；② 三维网格划分功能不够完善，目前仅提供四面体网格划分（六面体网格划分正在开发中，预计年内会发布）。

3.1 与国外软件的计算精度对比

PKPM-CAE有一套Benchmark自动测试系统，内置了近200道已经用ABAQUS或ANSYS运行过的测试算例，开发迭代过程中会确保这些算例在PKPM-CAE的计算结果跟ABAQUS或ANSYS结果基本一致。

3.2 与国外软件的计算效率对比

从目前的测试结果来看，PKPM-CAE的隐式计算效率多数情况下高于ABAQUS（冲击接触这种极端非线性情况例外），显式动力学若采用CPU并行，那么计算效率通常低于ABAQUS（约为ABAQUS的三分之一），但若采用GPU并行，那么计算效率将远超ABAQUS。

3.3 技术服务与工程咨询

国产通用有限元软件除了提供软件平台和软件能力，还提供优质的技术服务和工程咨询服务。

通用有限元软件应用难度较大，国外软件学习成本高，企业人才培养难，企业基于通用有限元软件开发的脚本难以沉淀。

PKPM-CAE通用有限元软件，提供软件+技术服务的一体化解决方案，帮助设计院快速掌握有限元仿真技术，培养有限元仿真人才，帮助设计院将复杂结构仿真工程经验沉淀到企业工作流程当中。